磁化等離子體雙等離子體衰變過程的數(shù)值模擬和理論研究.pdf

1、雙等離子體衰變在非磁化激光等離子體中已被廣泛研究，但是在托卡馬克磁化等離子體中，由于射頻波的功率相對較低，目前有關(guān)磁化等離子體雙等離子體衰變的理論和實驗的研究都非常少。然而TEXTOR托卡馬克的實驗研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)200~600kW的電子回旋波加熱和電流驅(qū)動穿越磁島時，實驗觀測到了強背散波以及離子加熱、加速的現(xiàn)象。電子回旋波的雙等離子體衰變能解釋這些現(xiàn)象，但當(dāng)前的線性理論表明該衰變過程因其高閾值功率而不可能發(fā)生，因此研究低閾值功率的磁化等離

2、子體雙等離子體衰變產(chǎn)生機制是有必要的。
　　本文在流體框架下，采用數(shù)值模擬和理論解析相結(jié)合的方法對磁化等離子體雙等離子體衰變過程展開研究。一方面，在二維平板模型下利用等離子體波的雙流體方程組，開發(fā)了在全時間和空間上研究雙等離子體衰變的并行程序。另一方面，采用弱模耦合近似的方法，解析地得到了磁化雙等離子體衰變過程的增長率和閾值功率的表達式。最后根據(jù)TEXTOR托卡馬克電子回旋波加熱的實際參數(shù)，通過并行程序結(jié)合解析結(jié)果計算了電子回旋波

3、的雙等離子體衰變過程。在并行程序中，首次實現(xiàn)雙流體方程的完全匹配層(PML)數(shù)值邊界條件。討論了PML方法在雙流系統(tǒng)中的可行性和適定性，詳細推導(dǎo)了PML控制方程。線性系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析和非線性方程的數(shù)值結(jié)果都表明，PML邊界是完全匹配的。數(shù)值結(jié)果同時顯示：PML的吸收效果與PML厚度和吸收系數(shù)直接相關(guān)；PML不影響計算區(qū)域內(nèi)部的物理過程；PML的吸收效果不受入射波功率強度和電子溫度的影響；PML的極大反射誤差小于1％。在理論解析工作中，著

4、重考察了高混雜子波波數(shù)、等離子體密度和磁場對雙等離子體衰變絕對不穩(wěn)定性和對流放大的影響。結(jié)果表明：磁場對絕對不穩(wěn)定性的影響依賴于子波垂直和平行于泵波傳播方向的波數(shù)ky和kx；磁場強弱和波數(shù)ky的大小對絕對不穩(wěn)定性增長率和對流放大的影響完全不同；磁場和密度在 kx較小時對放大因子有顯著影響；線性阻尼和密度空間非均勻性對對流放大有抑制作用；相對于磁場，密度的非均勻性對對流放大的影響更大。并行程序和閾值的解析結(jié)果計算均表明，在線性密度剖面下，

5、TEXTOR托卡馬克電子回旋波發(fā)生雙等離子體衰變的閾值功率為十兆瓦左右。并行程序在非單調(diào)密度剖面下的計算結(jié)果顯示，閾值功率可以降低1個量級，但仍無法解釋實驗。若采用非單調(diào)密度剖面并考慮動理學(xué)的修正效應(yīng)，并行程序計算結(jié)果發(fā)現(xiàn)，雙等離子體衰變閾值功率(約200kW)可以降低2個量級左右，能解釋實驗現(xiàn)象。結(jié)合線性色散關(guān)系所示的子波俘獲效應(yīng)，本文的研究結(jié)果從理論角度證明，非單調(diào)的密度剖面和子波的俘獲效應(yīng)可以顯著降低磁化雙等離子體衰變的閾值功率，